智能变电站变压器内部故障诊断探讨
作者：admin 来源：未知 日期：2020-12-22 10:02人气：
摘要:变压器是电力系统中的核心装置，故障发生后会对整个电网甚至各行各业的生产有着非常严重的影响。由此设计了一种基于物联网技术的智能变压器内部故障诊断系统，利用底层各类智能传感器、接入节点以及汇聚节点构建数据传输网络，实现变压器内部各项参数的智能化采集。采集的数据通过故障诊断系统进行存储，采用神经网络算法以及专家诊断技术建立诊断模型进行数据综合分析，并生成直观的分析结果以供用户查询。通过对某变电站变压器进行带电检测采集数据，并根据数据分析结果证明了该诊断系统的实用性、准确性及稳定性，且具有良好的经济及实用价值。
关键词:电力系统;故障诊断;智能传感器;数据采集;通信协议
伴随着我国各个行业的快速发展，用电需求也逐年上升，电力行业在飞速发展的同时，一些主要的弊端也在逐渐凸显。可概括为以下几个方面:第一，随着各类终端接入量的增多，产生的数据量也日益庞大，相应的采集工作也面临了新的挑战，由于数据通道未有效贯通，人工录入的情况仍较为普遍，无论是工作效率还是数据质量都有待提高;第二，随着电网规模越来越大，对于资源的优化配置需求日益提高，但目前仍然缺乏应对大规模资源调度配置的能力［1－2］;第三，电力行业相对封闭，导致该行业缺乏市场化管理和互联网的发展思维，进一步限制了电力行业的发展［3］。国家电网公司也在2019年出台了“泛在电力物联网”的建设方案，明确了电力行业要朝着数字化、智能化方向升级转变［4］。变压器是变电站中重要的输变电设备，一旦发生故障会影响到电网安全运行，并造成巨额经济损失。因此需要对变压器的各项参数进行实时采集并对变压器的运行状况进行评估，及时发现变压器内部故障并排除将有利于电力系统的平稳安全运行［5－6］。在这个背景之下，现通过与当前发展迅猛的物联网技术相结合，设计一种智能变电站变压器内部故障诊断系统，该系统利用底层各类智能传感器、接入节点以及汇聚节点构建数据传输网络，实现变压器内部各项参数的智能化采集，并对采集的数据进行分析及用户显示，具有良好的经济实用价值。
1智能变电站变压器内部故障诊断系统总体框架
智能变电站变压器内部故障诊断系统由感知层、网络层和平台层构成，整体结构框架如图1所示。感知层分为传感器层与数据汇聚层两部分，由各类智能传感器、接入节点以及汇聚节点组成智能传感器网络，用于实现传感器对变压器内部各项参数的信息采集和汇聚。网络层由接入控制器和接入网关等设备组成，用于实现感知层与平台层之间的数据处理与传输。平台层分为系统管理层与系统应用层两部分，可为用户提供多种功能接口，实现故障诊断系统的可视化、人性化操作。
2变压器故障诊断系统硬件设计
智能变电站变压器故障诊断系统其硬件以TMS320C6474嵌入式系统为控制核心，外接传感器数据采集网络、扩展总线接口吧、以太网通信模块、电源模块、GPS授时模块和LCD液晶显示模块等各种外围电路，如图2所示。变压器数据采集传感器网络由CC2530为核心控制器，包含数据采集器、扩展PC104总线接口、振动传感器模块、超声传感器模块、高频电流传感器模块、铁芯接地电流传感器模块以及温度传感器模块等。通过这些智能传感器对变压器内部各项参数进行采集，再通过数据采集器进行放大和滤波。通过数模转换接口转换成数字信号传入CC2530控制单元，并且转换后的数字量数据可在控制单元进行存储。通过控制单元对采集数据进行分析处理，对分析结果进行故障判断，并在现场液晶屏进行结果显示，获取变压器现场管理维护的重要信息。通过CC2530控制器，汇总各个智能传感器的采集数据、采集参数、通信参数、工作状态，然后将变压器采集数据信号转换成满足IEEE802．15．4标准的无线信号发送到智能接入节点，同时获得已安装的在线监测设备的数据、移动式重症监护系统的数据及智能巡检终端的数据，将数据通过智能接入节点传输到电力网络层。以太网通信模块采用W5500控制器与TMS320C6474嵌入式系统的ＲS232接口相接，实现变压器故障诊断系统与传感器检测汇聚节点之间的串行通信。TMS320C6474嵌入式系统供电电源主要采用15V直流电源，但网关及控制器还需5V直流电源供电，因此通过UC1844控制器和UC1825控制器进行电源转换。
3变压器故障诊断系统软件设计
3．1故障诊断软件平台设计
变压器内部故障监测系统能够实现应用层用户管理、支持上位机与下位机之间的通信协议、对变压器采集数据的存储、传输、处理以及显示等功能，从而为电力系统管理人员提供一个全面的变压器运行状态的实时远程监测与内部故障诊断平台。智能变电站变压器内部故障诊断平台的数据采集与传输是整个故障诊断系统的核心，故障诊断平台与数据采集网络之间通过网络层连接，支持TCP/IP通信协议，实现对变电站内多台变压器的监测数据进行集中管理、展示和分析，并直观地面向用户，既能实现人性化操作，又能保证检测数据的安全性和管理的规范性。变压器内部故障诊断软件平台界面，如图3所示。软件平台由“局部放电”、“油中气体”、“振动”、“负荷电流”、“油温”和“铁心电流”六个参量综合对变压器运行状态进行评估。局部放电监测通过三维坐标显示了放电周期内放电量与相位的对应情况。油中气体监测反映了变压器油中内部不同成分的气体情况。振动监测反映了变压器内部部件是否存在松动故障，铁心电流监测能够发现变压器是否存在多点接地故障，油温及负荷电流的监测能够作为变压器故障诊断的辅助参量。软件平台运用神经网络算法［7］以及专家诊断技术［8］建立变压器故障诊断的数学模型，有效地融合多种监测数据，提取每种监测参量的特征量，对各类复杂的信息进行综合处理，最终得到关于变压器运行状态和故障状况的综合评价。系统状态评估通过用“红、绿、黄”三种颜色分别表示“严重”、“正常”和“异常”，并通过对所有监测数据综合分析，智能判断变压器故障和异常情况，评估变压器的健康指数。该系统可以实现对变压器的实时监测，捕捉突变信号，提高诊断精确度和可信度。
3．2故障诊断软件应用测试
某变电站1号主变压器A相油中溶解气体色谱分析(DGA)发现乙炔含量异常，变压器内部故障监测系统检测到其振动数据出现异常，局部放电数据异常。振动信号频率能量分布如图4所示，频带范围为156～313Hz以及938～1094Hz占比较高，可有效反应振动信号的高频分量。局部放电统计图谱如图5所示，放电脉冲主要集中在第一象限和第三象限，两个象限放电幅值峰值几乎相等，图谱呈现矩形分布。通过油中气体数据、振动数据、局部放电数据进行综合分析，发现变压器内部出现局部放电故障，并且绕组可能存在异常。该变压器返厂调出A相绕组并将纸筒解体后发现，在高压线圈解体后，绕组下部与铜线接触的绝缘纸正常无缺陷，但绕组上部铜线表面呈烧灼异样，与铜线接触的绝缘纸表面受到损害，如图6所示。
4结束语
通过应用案例与系统测试，对设计的智能变电站变压器内部图5局部放电统计图谱图6现场变压器绕组解体图故障诊断系统方案与软硬件平台进行了验证，证明了提出的智能变电站变压器内部故障诊断系统方案设计与完成的软硬件设计的正确性与可靠性。通过该软件系统可以实现对整个电力系统变压器的运行状态进行远程监测，在线根据采集的变压器参数进行分析，判断变压器运行异常及分析故障，实现对大量复杂数据28的综合处理，并为用户提供多种功能接口，实现故障诊断平台的可视化和人性化操作。综上所述，该智能变电站变压器内部故障诊断系统可以实现对电力变压器的维护管理，提高变压器故障处理效率，对电力系统的稳定运行有着非常重要的影响，具有良好的经济应用价值。
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作者：于一三 袁文海 张永熙 杨胜林 刘畅 单位：国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司 保定天威新域科技发展有限公司
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